Полеты воображения. Разум и эволюция против гравитации
Шрифт:
“ШЕЛКОВЫЙ АЛЬБАТРОС”
“Шелковый альбатрос” на пути через Ла-Манш еле выдерживал вес пилота-велосипедиста. Полет всегда требует огромных расходов энергии. Это практически предел того, на что способны человеческие мышцы.
После “Шелкового альбатроса” Пол Маккриди перешел к другим проектам, в частности, построил Solar Challenger (“Солнечный бунтарь”) – летательный аппарат на солнечной батарее, сверхлегкий и сверхобтекаемый. Его крылья и хвост были сплошь покрыты солнечными батареями, которые питали довольно большой пропеллер. Аппарат мог достигать скорости 65 км/ч и высоты более 4000 метров. В дальнейшем летательные аппараты на солнечных батареях смогли даже облететь вокруг света, не в один прием, конечно, путешествие заняло несколько месяцев. Они могут летать и ночью на аккумуляторных батареях, зарядившихся
“Шелковый альбатрос” расширил пределы того, чего можно достичь мускульной силой человека. Он совершил то, что должны были сделать машины Леонардо, причем ему не пришлось махать крыльями, словно птица, как предполагали конструкции Леонардо. Мускульная сила двигала “Шелковый альбатрос” вперед благодаря вращению пропеллера или винта. А подъемную силу аппарат получал косвенно за счет этого движения вперед.
Братья Райт в 1903 году положили начало активному полету, сконструировав двигатель внутреннего сгорания. В 1930-е появились реактивные двигатели. Удивительно, что между достижением братьев Райт и первым сверхзвуковым полетом прошло лишь около 40 лет. И еще через 20 лет представителей нашего вида запустили на Луну и обратно. Я здесь нарочно использую слово “запустили”. Ракеты стартуют в восточном направлении, чтобы воспользоваться скоростью вращения Земли, которая запускает их на орбиту, словно из рогатки. Европейское космическое агентство оборудовало стартовые площадки во французской Гвиане, поскольку она располагается близко к экватору, где вращению Земли легче всего вытолкнуть ракеты на орбиту.
Кстати, приведу очень простое объяснение, как действует закон Бернулли, без единого математического символа. Прежде всего нужно понять, что означает давление воздуха на молекулярном уровне. Давление на поверхность – это суммарное воздействие триллионов молекул, которые по ней барабанят. Молекулы воздуха непрерывно мечутся в случайных направлениях, меняя их всякий раз, когда сталкиваются с чем-нибудь, например, друг с другом или с поверхностью. Когда надуваешь воздушный шарик, его внутренняя поверхность находится под большим давлением, чем внешняя. Внутри больше молекул воздуха на кубический сантиметр, чем снаружи, поэтому каждый квадратный сантиметр резины подвергается более интенсивной молекулярной бомбардировке изнутри, чем снаружи. Возьмите карточку, которая с одной стороны красного цвета, а с другой – зеленого. В безветренный день молекулы бомбардируют обе стороны карточки с одинаковой частотой. Но если подставить карточку красной стороной туда, откуда дует ветер, темп, в котором молекулы будут бомбардировать красную сторону, повысится, и вы ощутите давление ветра на карточку. А теперь о законе Бернулли: поверните карточку горизонтально, красной стороной вверх, теперь ветер дует вдоль карточки (и обтекает обе ее стороны). Молекулы воздуха по-прежнему случайным образом отскакивают от всего, в том числе от обеих сторон карточки. Но движение молекул теперь отчасти определяется направлением ветра. Следовательно, на обе поверхности попадает меньше молекул – они проносятся мимо карточки. Это все равно что сказать, что давление на обе поверхности снижается: карточка не взлетает и не падает. Наконец, мы подстраиваем условия эксперимента так, чтобы ветер вдоль красной поверхности дул быстрее, чем вдоль зеленой. Возьмите для этого, скажем, два фена. Давление на красную поверхность уменьшится сильнее, чем на зеленую, и карточка поднимется вверх.
Глава 8
Активный полет у живых существ
Механика полета у живых существ сложнее, чем механика полета рукотворных машин. Отчасти потому, что машущие крылья толкают животное вперед (принцип самолета) и одновременно толкают воздух вниз (скорее как у вертолета). Если посмотреть, как летает птица в замедленной съемке, вы заметите, что изгиб крыла в сочетании с упругой гибкостью перьев толкает птицу вперед, а это, в свою очередь, обеспечивает подъемную силу двумя уже известными нам способами – ньютоновским и бернуллиевским. Одновременно движение крыла вниз дает подъемную силу само по себе, как мы знаем из начала предыдущей главы. Движение крыла вверх не производит обратного воздействия, отчасти это происходит благодаря кривизне крыла, а отчасти благодаря тому, что оно дополнительно изгибается, локтевой и запястный суставы подтягивают его внутрь, так что площадь крыла сокращается по сравнению с мощным движением вниз.
Птицы и другие летающие живые существа толкают себя вперед и обеспечивают подъемную силу при помощи крыльев. Крылья рукотворных летательных аппаратов дают подъемную силу, но не двигают аппарат вперед. Другую крайность, когда крылья отвечают только за движение вперед, но не за подъемную силу, мы наблюдаем у пингвинов, но это под водой, а не в воздухе. Пингвины легче воды, будто поплавки, им не нужны крылья ради подъемной силы. По суше пингвины ходят медленно и неуклюже, зато под водой мчатся, словно дельфины, хотя те толкают себя вперед иначе – при помощи движений хвоста вверх-вниз. И у дельфинов, и у пингвинов прекрасная обтекаемая форма. Должно быть, предки пингвинов без труда достигли такой обтекаемости, поскольку уже отчасти приобрели ее для полетов в воздухе.
Пользуются крыльями для подводного плавания и другие морские птицы – тупики, олуши, гагарки и кайры. Но они, в отличие от пингвинов, летают на крыльях и в воздухе. Оптимальная форма крыла для воздуха не такая, как для воды. Для подводного плавания больше подходят маленькие крылья. Тупики и кайры вынуждены довольствоваться компромиссом, тогда как пингвины получили возможность совершенствовать крылья исключительно для воды. Крылья у тупиков меньше, чем должны быть в идеале для полетов в воздухе, поэтому тупики вынуждены махать крыльями очень быстро, а следовательно, тратить много энергии. Одновременно их крылья больше, чем должны быть в идеале для плавания. Большие бакланы толкают себя вперед под водой огромными лапами, лишь слегка помогая крыльями, которые служат им в основном для полетов. Бескрылая гагарка, вымерший родственник кайры и гагарки, летать не умела, и ее крылья, как и у пингвинов, были идеально приспособлены для плавания. Иногда бескрылую гагарку называют северным пингвином, и в самом деле, ее латинское название – Pinguinus, но в близком родстве с пингвинами она не состоит. Крылья у нее были слишком маленькие для полета и по форме совсем как
СЕВЕРНЫЙ ПИНГВИН
Увы, бескрылые гагарки вымерли в XIX веке.
Вернемся к полетам. Чтобы продвинуться вперед за счет крыльев, нужно совершать в воздухе движения, похожие на гребки. Колибри довели до предела частоту взмахов-гребков, так что крыло при взмахе вверх почти что переворачивается и слышится жужжание. Крыло колибри при взмахе вверх приносит почти столько же подъемной силы, что и при движении вниз, и дает колибри возможность зависать в воздухе, летать вперед спиной, вбок, а иногда и вверх тормашками. Умение зависать в воздухе стало для птиц важным эволюционным открытием. До этого монополией на нектар владели насекомые, поскольку только они могли садиться на цветки, а птицы были для этого слишком тяжелы. В Старом Свете водятся нектарницы – эквивалент колибри Нового Света. Висеть в воздухе умеют не все нектарницы, а только отдельные виды. А некоторые цветы снабжены особыми отростками, которые словно бы специально созданы, чтобы нектарницам было удобно присаживаться на них.
ЯЗЫКАН ОБЫКНОВЕННЫЙ
Эта бабочка и выглядит, и жужжит так, что ее легко принять за колибри. Бражник языкан обыкновенный – профессиональный конкурент колибри, поэтому в результате конвергентной эволюции стал похож на эту птичку.
Среди насекомых главные мастерицы зависать в воздухе – это цветочницы. Хорошо овладели этим искусством и самые разные виды бражников под общим названием языканы – за необычайно длинный язык, которым они высасывают нектар из цветов. Языканы поразительно похожи на колибри – еще один симпатичный пример конвергентной эволюции. Прекрасно умеют висеть в воздухе и стрекозы. Если наблюдать птицу в полете, даже в замедленной съемке трудно отделить “вертолетный” компонент ее движения (сверху вниз) от “самолетного” (вперед). Отдельные птицы делают упор то на одно, то на другое, например, во время взлета в основном прибегают к “вертолетному”, а затем, уже в горизонтальном полете, переходят на “самолетный”. Разные виды птиц специализируются на том или ином компоненте. Самые крупные птицы, которые умеют по-настоящему зависать в воздухе на достаточно долгое время, – малые пегие зимородки, которые водятся в Африке и Азии. Другие зимородки садятся на что-нибудь, чтобы высмотреть рыбу, а малые пегие зимородки делают это с воздуха, зависая на месте, словно гигантские колибри. Правда, их крылья слишком большие и не жужжат.
Пустельги, высматривая добычу, тоже зависают в воздухе, но иначе: они разворачиваются носом к ветру и летят со скоростью ветра, но в противоположном направлении. Таким образом, их скорость относительно земли равна нулю, тогда как скорость относительно встречного ветра достаточно велика, чтобы обеспечить подъемную силу. Для взмахов крыльями вверх и вниз у птиц есть отдельные мышцы. Большие грудные мышцы (pectoralis major) обеспечивают движение крыла вниз. Эти мышцы могут составлять 15–20 % веса тела. К тому же, как мы уже знаем, им нужен мощный киль грудины. Казалось бы, мышцы для взмаха вверх должны располагаться над крылом, у летучих мышей так и есть. А вот у птиц – нет. Эти мышцы (supracoracoideus) находятся под крылом и тянут его вверх при помощи “троса” (сухожилия) и “блока” через лопатку. Другие мышцы меняют угол наклона крыла, третьи – его форму, сгибая локтевой и запястный сустав.
Альбатросы по большей части парят и скользят по воздуху у самой поверхности моря, они – мастера энергосберегающего полета. К концу жизни альбатрос успевает налетать больше 1,5 миллионов километров и много раз облететь все Южное полушарие. Для обеспечения подъемной силы они пользуются не термиками, а природными воздушными течениями, парят низко и в некоторых случаях пролетают сотни километров, ни разу не сев, почти не шевелят крыльями и тратят совсем мало энергии. Самый крупный вид – странствующий альбатрос, обитающий в южных океанах, непрерывно летает вокруг света, всегда в одном направлении – вместе с преобладающим ветром. Альбатрос не просто пассивно позволяет ветру нести себя, поскольку это не дало бы подъемной силы. Ему нужен эквивалент термика, чтобы набрать высоту перед тем, как планировать вниз. Поэтому он попеременно то планирует по ветру, то поворачивается против него. Когда он летит против относительно слабого ветра у самой поверхности моря, он – словно самолет, набирающий подъемную силу ньютоновским и бернуллиевским способом. Это позволяет альбатросу подняться на такую высоту, с которой можно снова пуститься в долгий парящий спуск по ветру. На этой фазе цикла птица сбрасывает высоту, словно гриф, вылетевший из термика, или шерстокрыл, планирующий с вершины дерева. Затем, очутившись ближе к поверхности моря, где ветер слабее, альбатрос снова поворачивается против ветра и снова набирает высоту. Этот цикл птица повторяет столько, сколько потребуется, и при этом умело регулирует плоскость полета так, чтобы пользоваться восходящими воздушными течениями и вихрями, которые возникают над волнами. Воздушные течения, вырабатываемые волнами, не так надежны, как термики, и довольно нерегулярны. Чтобы обратить их себе на пользу, нужно чутко корректировать плоскость полета каждую секунду, а этого можно достичь только при помощи тонкой “электроники” – высокоразвитой нервной системы.